Двигаться быстрее скорости света? — Нет ничего проще
Теория относительности завораживает своими парадоксами. Все мы знаем про близнецов, про возможности засунуть длинный самолёт в короткий ящик. Сегодня каждый выпускник школы знает ответы на эти классические загадки, а уж студенты-физики и подавно считают, что тайн в специальной теории относительности для них не осталось.
Всё бы хорошо, если бы не удручающе обстоятельство — невозможность сверхсветовых скоростей. Неужели никак нельзя быстрее?! — думала я в детстве. А может быть можно?! Поэтому приглашаю вас на сеанс, уж и не знаю, чёрной или белой магии имени Альберта Эйнштейна с разоблачением в конце. Впрочем для тех, кому покажется мало, я приготовила ещё и задачку.
UPD: Сутки спустя публикую решение. Много текста формул, графиков в конце.
К Альфе Центавра
Приглашаю вас занять места в нашем межзвёздном корабле, который направляется в сторону Альфы Центавра. От конечной точки маршрута нас отдаляют 4 световых года. Внимание, запускаем двигатели. Поехали! Для удобства пассажиров наш капитан установил такую тягу, чтобы мы ускорялись с величиной и ощущали привычную нам на Земле силу тяжести.
Вот мы уже прилично разогнались, пускай до половины скорости света . Зададим казалось несложный вопрос: с какой же скоростью мы будем приближаться к Альфа Центавра в нашей собственной (корабельной) системе отсчёта. Казалось бы всё просто, если мы летим со скоростью в неподвижной системе отсчёта Земли и Альфы Центавра, то и с нашей точки зрения мы приближаемся к цели со скоростью .
Тот, кто уже почувствовал подвох, совершенно прав. Ответ неверен! Тут надо сделать уточнение, под скоростью приближения к Альфа Центавра я называю изменение оставшегося расстояния до неё, делённое на промежуток времени, за который такое изменение произошло. Всё, разумеется, измеряется в нашей системе отсчёта, связанной с космическим кораблём.
Тут надо вспомнить, о лоренцевском сокращении длины. Ведь разогнавшись до половины скорости света мы обнаружим, что масштаб вдоль направления нашего движения сжался. Напомню формулу:
И теперь, если на скорости в половину скорости света мы измерим расстояние от Земли до Альфы Центавра, мы получил не 4 св. года, а всего лишь 3,46 св.года.
Получается, что только благодаря тому факту, что мы разогнались до мы уже уменьшили расстояние до конечной точки путешествия почти 0,54 св.года. А если мы будем не просто двигаться с большой скоростью, но ещё и ускоряться, то у масштабного фактора появится производная по времени, которая по сути тоже есть скорость приближения и плюсуется к .
Таким образом помимо к нашей обычной, я бы сказала классической, скорости добавляется ещё один член — динамическое сокращение длины оставшегося пути, которое возникает тогда и только тогда, когда есть ненулевое ускорение. Ну что же, возьмём карандаш и посчитаем.
— текущее расстояние до звезды по линейке капитана корабля, — время на часах в кают-компании, — скорость.
Уже здесь мы видим, что первая частная производная — это скорость, просто скорость со знаком минус, коль скоро мы приближаемся к Альфе Центавра. А вот второе слагаемое — тот самый подвох, о котором, подозреваю, не все задумывались.
Чтобы найти производную скорости по времени во втором слагаемом, надо быть аккуратным, т.к. мы находимся в подвижной системе отсчёта. Проще всего на пальцах её вычислить из формулы сложения релятивистских скоростей. Пусть в момент времени мы движемся со скоростью , а через какой-то промежуток времени прирастили нашу скорость на . Результирующая скорость по формуле теории относительности будет
Теперь соберём вместе (2) и (3), причём производную от (3) надо взять при , т.к. мы рассматриваем малые приращения.
Полюбуемся на конечную формулу
Она удивительна! Если первый член — скорость — ограничен скоростью света, то второй член не ограничен ничем! Возьмите побольше и… второе слагаемое с лёгкостью может превысить .
— Что-что! — не поверят некоторые.
— Да-да, именно так, — отвечу я. — Оно может быть больше скорости света, больше двух скоростей света, больше 10 скоростей света. Перефразируя Архимеда, могу сказать: «дайте мне подходящую , и я обеспечу вам сколь угодно большую скорость.»
Что ж а давайте подставим числа, с числами всегда интереснее. Как мы помним, капитан установил ускорение , а скорость уже достигла . Тогда обнаружим, что при светового года, наша скорость приближения сравняется со скоростью света. Если же мы подставим световых года, то
Прописью: «три целых, три десятых скорости света».
Продолжаем удивляться
Давайте посмотрим ещё более внимательно на формулу (5). Ведь не обязательно садиться в релятивистский космический корабль. И скорость, и ускорение могут быть совсем маленькими. Всё дело в волшебной . Вы только вдумайтесь!
Вот я села в машину и нажала на газ. У меня есть скорость и ускорение. И в этот самый момент я могу гарантировать, что где-то примерно сотне-другой миллионов световых лет впереди меня есть объекты, приближающиеся сейчас ко мне быстрее света. Для простоты я ещё не брала в расчёт скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца, и Солнца вокруг центра Галактики. С их учётом объекты со сверхсветовой скоростью приближения окажутся уже совсем поблизости — не на космологических масштабах, а где-то на периферии нашей Галактики.
Получается, что невольно даже при минимальных ускорениях, например встав со стула, мы участвуем в сверхсветовом движении.
Удивляемся ещё
Посмотри на формулу (5) совсем-совсем пристально. Давайте узнаем не скорость приближения к Альфе Центавра, а наоборот скорость удаления от Земли. При достаточно большом , например, на полпути к цели, мы можем обнаружить, что к нам приближается и Земля, и Альфа Центавра. Оправившись от удивления, конечно можно догадаться, что виной всему сокращение длины, которое работает не только вперёд, но и назад. Пространство за кормой космического корабля сжимается быстрее, чем мы улетаем от точки старта.
Несложно понять и другой удивительный эффект. Ведь стоит изменить направление ускорения, как второе слагаемое в (5) тут же поменяет знак. Т.е. скорость приближения может запросто стать нулевой, а то и отрицательной. Хотя обычная скоростью у нас по прежнему будет направлена к Альфе Центавра.
Разоблачение
Надеюсь, я вас достаточно сбила с толку. Как же так, нас учили, что скорость света максимальна! Нельзя приближаться к чему-либо быстрее скорости света! Но здесь стоит обратить внимание на присказку к любому релятивистскому закону. Она есть в любом учебнике, но кажется, что только загромождает формулировку, хотя именно в ней вся «соль». Эта присказка гласит, что постулаты специальной теории относительности работают «в инерциальной системе отсчёта».
В неинерциальной системе отсчёта Эйнштейн нам ничего не гарантирует. Такие дела!
В формуле (5) содержится расстояние . Когда оно равно нулю, т.е. когда мы пытаемся определить скорость локально относительно близких объектов, останется только первое слагаемое , которое, разумеется, не превышает световую скорость. Никаких проблем. И лишь на больших расстояниях, т.е. не локально, мы можем получить сверхсветовые скорости.
Надо сказать, что вообще говоря, относительная скорость удалённых друг от друга объектов — понятие плохо определённое. Наше плоское пространство-время в ускоренной системе отсчёта выглядит искривлённым. Это знаменитый «лифт Эйнштейна» эквивалентный гравитационному полю. А сравнивать две векторные величины в искривлённом пространстве корректно, только когда они находятся в одной точке (в одном касательном пространстве из соответствующего векторного расслоения).
Кстати о нашем парадоксе сверхсветовой скорости можно рассуждать и по-другому, я бы сказала интегрально. Ведь релятивистское путешествия к Альфе Центавра займёт по собственным часам космонавта гораздо меньше 4 лет, поэтому поделив изначальное расстояние на затраченное собственное время, мы получим эффективную скорость больше скорости света. По сути это тот же парадокс близнецов. Кому удобно, может именно так и понимать сверхсветовое перемещение.
Вот и весь фокус. Ваша Капитанша Очевидность.
А напоследок я придумала вам домашнее задание или наброс для обсуждения в комментариях.
Задачка
Земляне и альфацентавры решили обменяться делегациями. С Земли стартовал космический корабль со скорость . Одновременно с ним с Альфы Центавра навстречу отправилась летающая тарелка инопланетян с той же скоростью.
Каково расстояние между кораблями в системе отсчёта корабля землян в момент старта, когда они находились у Земли и Альфы Центавра соответственно? Напишите ответ в комментариях.
UPD: Решение
Итак решение задачи. Сначала рассмотрим её качественно.
Договоримся, что часы на Альфе, Земле, ракете и тарелке синхронизованы (это было сделано заранее), и старт по всем четырём часам состоялся в 12:00.
Рассмотрим пространство время графически в покоящихся координатах . Земля находится в нуле, Альфа на расстоянии по оси . Мировая линия Альфы Центавра, очевидно, просто идёт вертикально вверх. Мировая линия тарелки идёт с наклоном влево, т.к. она вылетела из точки в направлении Земли.
Теперь на этом графике пририсуем оси координат системы отсчёта ракеты, стартовавшей с Земли. Как известно, такое преобразование системы координат (СК) называется бустом. При этом оси наклоняются симметрично относительно диагональной линии, которая показывает световой луч.
Я думаю, в этот момент вам уже всё стало понятно. Смотрите, ось пересекает мировые линии Альфы и летающей тарелки в разных точках. Что же произошло?
Удивительная вещь. Перед стартом с точки зрения ракеты и тарелка и Альфа находились в одной точке, а после набора скорости выясняется, что в движущеёся СК старт ракеты и тарелки не был одновременен. Тарелка, вдруг оказывается, стартовала раньше и успела немного приблизиться к нам. Поэтому сейчас в 12:00:01 по часам ракеты до тарелки уже ближе, чем до Альфы.
А если ракета разгонится ещё, она «перепрыгнет» в следующую СК, где тарелка ещё ближе. Причём такое приближение тарелки происходит только за счёт ускорения и динамического сжатия продольного масштаба (о чём собственно весь мой пост), а не продвижения ракеты в пространстве, т.к. ракета ещё по сути ничего и не успела пролететь. Это приближение тарелки, как раз и есть второй член в формуле (5).
Ну и кроме всего прочего надо учесть обычное лоренцевское сокращение расстояния. Сразу сообщу ответ, что при скоростях ракеты и тарелки по каждая расстояние
- между ракетой и Альфой: 3,46 св. года (обычное лоренцевское сокращение)
- между ракетой и тарелкой: 2,76 св. года
Такого рода задачи удобно решать с помощью четырёхмерных векторов. Бояться их не надо, всё делается при помощи самых обычных действий линейной алгебры. Тем более мы движемся только вдоль одной оси, поэтому от четырёх координат остаётся только две: и .
Далее договоримся о простых обозначениях. Скорость света считаем равной единице. Мы, физики, всегда так делаем. 🙂 Ещё обычно единицей считаем постоянную Планка и гравитационную постоянную. Сути это не меняет, зато чертовски облегчает писанину.
Итак повсеместно присутствующий «релятивистский корень» обозначим гамма-фактором для компактности записей, где — скорость земной ракеты:
Теперь запишем в компонентах вектор :
Верхняя компонента — время, нижняя — пространственная координата. Корабли стартуют одновременно в неподвижной системе, поэтому верхняя составляющая вектора равна нулю.
Теперь найдём координаты точки в подвижной системе координат , т.е. . Для этого используем преобразование к движущейся системе отсчёта. Оно называется бустом и делается очень просто. Любой вектор надо умножить на матрицу буста
Как мы видим, временная компонента этого вектора отрицательна. Это и значит, что точка с точки зрения движущеёся ракеты находится под осью , т.е. в прошлом (что и видно на рисунке выше).
Найдём вектор в неподвижной системе. Временная компонента — некоторый неизвестный пока промежуток времени , пространственная — расстояние, на которое приближается тарелка за время , двигаясь со скоростью :
Теперь тот же самый вектор в системе
Найдём обычную векторную сумму
Почему эту сумму я приравняла справа к таком вектору? По определению точка находится на оси , поэтому временная компонента должна быть равна нулю, а пространственная компонента — это и будет то самое искомое расстояние от ракеты до тарелки. Отсюда получаем систему двух простых уравнений — приравниваем временные компоненты отдельно, пространственные отдельно.
Из первого уравнения определяем неизвестный параметр , подставляем его во второе уравнение и получаем . Позвольте опустить простые вычисления и сразу записать
Давайте разберемся: почему ничто не может быть быстрее света?
В сентябре 2011 года физик Антонио Эредитато поверг мир в шок. Его заявление могло перевернуть наше понимание Вселенной. Если данные, собранные 160 учеными проекта OPERA, были правильными, наблюдалось невероятное. Частицы — в этом случае нейтрино — двигались быстрее света. Согласно теории относительности Эйнштейна, это невозможно. И последствия такого наблюдения были бы невероятными. Возможно, пришлось бы пересмотреть самые основы физики.
Может ли что-то двигаться быстрее скорости света?
Результаты эксперимента OPERA
Хотя Эредитато говорил, что он и его команда были «крайне уверены» в своих результатах, они не говорили о том, что данные были совершенно точными. Напротив, они попросили других ученых помочь им разобраться в том, что происходит.
В конце концов, оказалось, что результаты OPERA были ошибочными. Из-за плохо подключенного кабеля возникла проблема синхронизации, и сигналы с GPS-спутников были неточными. Была неожиданная задержка в сигнале. Как следствие, измерения времени, которое потребовалось нейтрино на преодоление определенной дистанции, показали лишние 73 наносекунды: казалось, что нейтрино пролетели быстрее, чем свет.
Несмотря на месяцы тщательной проверки до начала эксперимента и перепроверку данных впоследствии, ученые серьезно ошиблись. Эредитато ушел в отставку, вопреки замечаниям многих о том, что подобные ошибки всегда происходили из-за чрезвычайной сложности устройства ускорителей частиц.
Что может двигаться быстрее света
Почему предположение — одно только предположение — что нечто может двигаться быстрее света, вызвало такой шум? Насколько мы уверены, что ничто не может преодолеть этот барьер?
Скорость света в вакууме составляет около 300 000 километров в секунду
Давайте сначала разберем второй из этих вопросов. Скорость света в вакууме составляет 299 792,458 километра в секунду — для удобства, это число округляют до 300 000 километров в секунду. Это весьма быстро. Солнце находится в 150 миллионах километров от Земли, и свет от него доходит до Земли всего за восемь минут и двадцать секунд.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Может ли какое-нибудь из наших творений конкурировать в гонке со светом? Один из самых быстрых искусственных объектов среди когда-либо построенных, космический зонд «Новые горизонты», просвистел мимо Плутона и Харона в июле 2015 года. Он достиг скорости относительно Земли в 16 км/c. Намного меньше 300 000 км/с.
Тем не менее у нас были крошечные частицы, которые двигались весьма быстро. В начале 1960-х годов Уильям Бертоцци в Массачусетском технологическом институте экспериментировал с ускорением электронов до еще более высоких скоростей.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их можно разгонять — точнее, отталкивать — применяя тот же отрицательный заряд к материалу. Чем больше энергии прикладывается, тем быстрее разгоняются электроны.
Можно было бы подумать, что нужно просто увеличивать прилагаемую энергию, чтобы разогнаться до скорости в 300 000 км/с. Но оказывается, что электроны просто не могут двигаться так быстро. Эксперименты Бертоцци показали, что использование большей энергии не приводит к прямо пропорциональному увеличению скорости электронов.
Что может изменить скорость движения электронов
Вместо этого нужно было прикладывать огромные количества дополнительной энергии, чтобы хоть немного изменить скорость движения электронов. Она приближалась к скорости света все ближе и ближе, но никогда ее не достигла.
Представьте себе движение к двери небольшими шажочками, каждый из которых преодолевает половину расстояния от вашей текущей позиции до двери. Строго говоря, вы никогда не доберетесь до двери, поскольку после каждого вашего шага у вас будет оставаться дистанция, которую нужно преодолеть. Примерно с такой проблемой Бертоцци столкнулся, разбираясь со своими электронами.
Но свет состоит из частиц под названием фотоны. Почему эти частицы могут двигаться на скорости света, а электроны — нет?
Ученые используют все более мощную технику для изучения частиц
«По мере того как объекты движутся все быстрее и быстрее, они становятся все тяжелее — чем тяжелее они становятся, тем труднее им разогнаться, поэтому вы никогда на наберете скорость света», говорит Роджер Рассул, физик из Университета Мельбурна в Австралии. «У фотона нет массы. Если бы у него была масса, он не мог бы двигаться со скоростью света».
Фотоны особенные. У них не только отсутствует масса, что обеспечивает им полную свободу перемещений в космическом вакууме, им еще и разгоняться не нужно. Естественная энергия, которой они располагают, перемещается волнами, как и они, поэтому в момент их создания они уже обладают максимальной скоростью. В некотором смысле проще думать о свете как о энергии, а не как о потоке частиц, хотя, по правде говоря, свет является и тем и другим.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Тем не менее свет движется намного медленнее, чем мы могли бы ожидать. Хотя интернет-техники любят говорить о коммуникациях, которые работают «на скорости света» в оптоволокне, свет движется на 40% медленнее в стекле этого оптоволокна, чем в вакууме.
Скорость движения фотонов
В реальности, фотоны движутся на скорости 300 000 км/с, но сталкиваются с определенной интерференцией, помехами, вызванными другими фотонами, которые испускаются атомами стекла, когда проходит главная световая волна. Понять это может быть нелегко, но мы хотя бы попытались.
В реальности, фотоны движутся на скорости 300 000 километров в секунду
Точно так же, в рамках специальных экспериментов с отдельными фотонами, удавалось замедлить их весьма внушительно. Но для большинства случаев будет справедливо число в 300 000. Мы не видели и не создавали ничего, что могло бы двигаться так же быстро, либо еще быстрее. Есть особые моменты, но прежде чем мы их коснемся, давайте затронем другой наш вопрос. Почему так важно, чтобы правило скорости света выполнялось строго?
Ответ связан с человеком по имени Альберт Эйнштейн, как часто бывает в физике. Его специальная теория относительности исследует множество последствий его универсальных пределов скорости. Одним из важнейших элементов теории является идея того, что скорость света постоянна. Независимо от того, где вы и как быстро движетесь, свет всегда движется с одинаковой скоростью.
Но из этого вытекает несколько концептуальных проблем.
Представьте себе свет, который падает от фонарика на зеркало на потолке стационарного космического аппарата. Свет идет вверх, отражается от зеркала и падает на пол космического аппарата. Скажем, он преодолевает дистанцию в 10 метров.
Теперь представим, что этот космический аппарат начинает движение с колоссальной скоростью во многие тысячи километров в секунду. Когда вы включаете фонарик, свет ведет себя как прежде: светит вверх, попадает в зеркало и отражается в пол. Но чтобы это сделать, свету придется преодолеть диагональное расстояние, а не вертикальное. В конце концов, зеркало теперь быстро движется вместе с космическим аппаратом.
Соответственно, увеличивается дистанция, которую преодолевает свет. Скажем, на 5 метров. Выходит 15 метров в общем, а не 10.
И несмотря на это, хотя дистанция увеличилась, теории Эйнштейна утверждают, что свет по-прежнему будет двигаться с той же скоростью. Поскольку скорость — это расстояние, деленное на время, раз скорость осталась прежней, а расстояние увеличилось, время тоже должно увеличиться. Да, само время должно растянуться. И хотя это звучит странно, но это было подтверждено экспериментально.
Теории Эйнштейна говорят о замедлении времени
Этот феномен называется замедлением времени. Время движется медленнее для людей, которые передвигаются в быстро движущемся транспорте, относительно тех, кто неподвижен.
Может ли время идти по-разному
К примеру, время идет на 0,007 секунды медленнее для астронавтов на Международной космической станции, которая движется со скоростью 7,66 км/с относительно Земли, если сравнивать с людьми на планете. Еще интереснее ситуация с частицами вроде вышеупомянутых электронов, которые могут двигаться близко к скорости света. В случае с этими частицами, степень замедления будет огромной.
Стивен Кольтхаммер, физик-экспериментатор из Оксфордского университета в Великобритании, указывает на пример с частицами под названием мюоны.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Мюоны нестабильны: они быстро распадаются на более простые частицы. Так быстро, что большинство мюонов, покидающих Солнце, должны распадаться к моменту достижения Земли. Но в реальности мюоны прибывают на Землю с Солнца в колоссальных объемах. Физики долгое время пытались понять почему.
«Ответом на эту загадку является то, что мюоны генерируются с такой энергией, что движутся на скорости близкой к световой, — говорит Кольтхаммер. — Их ощущение времени, так сказать, их внутренние часы идут медленно».
Мюоны «остаются в живых» дольше, чем ожидалось, относительно нас, благодаря настоящему, естественному искривлению времени. Когда объекты движутся быстро относительно других объектов, их длина также уменьшается, сжимается. Эти последствия, замедление времени и уменьшение длины, представляют собой примеры того, как изменяется пространство-время в зависимости от движения вещей — меня, тебя или космического аппарата — обладающих массой.
Солнце и испускаемый им свет
Что важно, как говорил Эйнштейн, на свет это не влияет, поскольку у него нет массы. Вот почему эти принципы идут рука об руку. Если бы предметы могли двигаться быстрее света, они бы подчинялись фундаментальным законам, которые описывают работу Вселенной. Это ключевые принципы. Теперь мы можем поговорить о нескольких исключениях и отступлениях.
Можно ли двигаться быстрее скорости света
С одной стороны, хотя мы не видели ничего, что двигалось бы быстрее света, это не означает, что этот предел скорости нельзя теоретически побить в весьма специфических условиях. К примеру, возьмем расширение самой Вселенной. Галактики во Вселенной удаляются друг от друга на скорости, значительно превышающей световую.
Другая интересная ситуация касается частиц, которые разделяют одни и те же свойства в одно и то же время, независимо от того, как далеко находятся друг от друга. Это так называемая «квантовая запутанность». Фотон будет вращаться вверх и вниз, случайно выбирая из двух возможных состояний, но выбор направления вращения будет точно отражаться на другом фотоне где-либо еще, если они запутаны.
Два ученых, каждый из которых изучает свой собственный фотон, получат один и тот же результат одновременно, быстрее, чем могла бы позволить скорость света.
Однако в обоих этих примерах важно отметить, что никакая информация не перемещается быстрее скорости света между двумя объектами. Мы можем вычислить расширение Вселенной, но не можем наблюдать объекты быстрее света в ней: они исчезли из поля зрения.
Что касается двух ученых с их фотонами, хотя они могли бы получить один результат одновременно, они не могли бы дать об этом знать друг другу быстрее, чем перемещается свет между ними.
«Это не создает нам никаких проблем, поскольку если вы способны посылать сигналы быстрее света, вы получаете причудливые парадоксы, в соответствии с которыми информация может каким-то образом вернуться назад во времени», говорит Кольтхаммер.
Есть и другой возможный способ сделать путешествия быстрее света технически возможными: разломы в пространстве-времени, которые позволят путешественнику избежать правил обычного путешествия.
Возможно ли путешествие через червоточину со скоростью больше или равной скорости света?
Джеральд Кливер из Университета Бейлор в Техасе считает, что однажды мы сможем построить космический аппарат, путешествующий быстрее света. Который движется через червоточину. Червоточины — это петли в пространстве-времени, прекрасно вписывающиеся в теории Эйншейна. Они могли бы позволить астронавту перескочить из одного конца Вселенной в другой с помощью аномалии в пространстве-времени, некой формы космического короткого пути.
Объект, путешествующий через червоточину, не будет превышать скорость света, но теоретически может достичь пункта назначения быстрее, чем свет, который идет по «обычному» пути. Но червоточины могут быть вообще недоступными для космических путешествий. Может ли быть другой способ активно исказить пространство-время, чтобы двигаться быстрее 300 000 км/c относительно кого-нибудь еще?
Кливер также исследовал идею «двигателя Алькубьерре», предложенную физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году. Он описывает ситуацию, в которой пространство-время сжимается перед космическим аппаратом, толкая его вперед, и расширяется позади него, также толкая его вперед. «Но потом, — говорит Кливер, — возникли проблемы: как это сделать и сколько понадобится энергии».
В 2008 году он и его аспирант Ричард Обоузи рассчитали, сколько понадобится энергии.
«Мы представили корабль 10 м х 10 м х 10 м — 1000 кубометров — и подсчитали, что количество энергии, необходимое для начала процесса, будет эквивалентно массе целого Юпитера».
После этого, энергия должна постоянно «подливаться», чтобы процесс не завершился. Никто не знает, станет ли это когда-нибудь возможно, либо на что будут похожи необходимые технологии. «Я не хочу, чтобы меня потом столетиями цитировали, будто я предсказывал что-то, чего никогда не будет, — говорит Кливер, — но пока я не вижу решений».
Итак, путешествия быстрее скорости света остаются фантастикой на текущий момент. Пока единственный способ посетить экзопланету при жизни — погрузиться в глубокий анабиоз. И все же не все так плохо. В большинстве случаев мы говорили о видимом свете. Но в реальности свет — это намного большее. От радиоволн и микроволн до видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей и гамма-лучей, испускаемых атомами в процессе распада — все эти прекрасные лучи состоят из одного и того же: фотонов.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Разница в энергии, а значит — в длине волны. Все вместе, эти лучи составляют электромагнитный спектр. То, что радиоволны, к примеру, движутся со скоростью света, невероятно полезно для коммуникаций.
Цветовой спектр света
В своем исследовании Кольтхаммер создает схему, которая использует фотоны для передачи сигналов из одной части схемы в другую, так что вполне заслуживает права прокомментировать полезность невероятной скорости света.
«Сам факт того, что мы построили инфраструктуру Интернета, к примеру, а до него и радио, основанную на свете, имеет отношение к легкости, с которой мы можем его передавать», отмечает он. И добавляет, что свет выступает как коммуникационная сила Вселенной. Когда электроны в мобильном телефоне начинают дрожать, фотоны вылетают и приводят к тому, что электроны в другом мобильном телефоне тоже дрожат. Так рождается телефонный звонок. Дрожь электронов на Солнце также испускает фотоны — в огромных количествах — которые, конечно, образуют свет, дающий жизни на Земле тепло и, кхм, свет.
Свет — это универсальный язык Вселенной. Его скорость — 299 792,458 км/с — остается постоянной. Между тем, пространство и время податливы. Возможно, нам стоит задумываться не о том, как двигаться быстрее света, а как быстрее перемещаться по этому пространству и этому времени? Зреть в корень, так сказать?
Можно ли превысить скорость света?
Скорость света — величина, с которой движется свет в вакууме. И чем быстрее что-то движется, тем более массивным оно становится, и тем больше замедляется время. На малых скоростях это практически неощутимо, но при приближении к скорости света это становится резко заметным. Получается, что если вы хотите ускорить хотя бы один электрон до световой скорости, вам потребуется бесконечное количество энергии, поскольку электрон становится бесконечно тяжелым. А у света нет массы, поэтому такой проблемы у него не возникает. В этом и заключается сложность преодоления.
Так можем ли мы превысить скорость света? Нет. При обычных условиях нельзя превысить световой предел. Так как бесконечную энергию невозможно достичь.
Исследование: ученые превысили скорость света
У света есть некоторые особенности, которые позволяют нарушать правила. Это не ускорит путешествия к звездам, но поможет создать совершенно новый класс лазеров.
Физики давно экспериментируют с ограничением скорости световых импульсов, ускоряя их и даже замедляя до полного, но виртуального, виртуального останова. При этом использовались различные материалы, такие как холодные атомные газы, преломляющие кристаллы и оптические волокна.
Как-то исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии и Университета Рочестера в Нью-Йорке выбрали в качестве среды облака горячих заряженных частиц. И у них получилось менять скорость световых волн в плазме от примерно одной десятой от обычной скорости света в вакууме до скорости, превышающей скорость света более чем на 30%.
Импульсы фотонов могут сталкиваться таким образом, чтобы создавать волны. Световые волны проходят через вещество со скоростью, описываемой исследователями как групповая скорость, и именно этой «волной волн» ученые и управляли, меняя электромагнитные условия.
Вырывая электроны из потока ионов водорода и гелия с помощью лазера, исследователи смогли изменить групповую скорость световых импульсов, посылаемых через плазму вторым источником света.
С практической точки зрения эксперимент имеет значение не для межзвездных перелетов, а для лазеров и позволит создать новое невероятно мощное поколение этих приборов. В лазерах используются твердотельные оптические материалы, которые, как правило, повреждаются при высоких энергиях. Использование потоков плазмы для изменения световых характеристик позволило бы решить эту проблему.
Что произойдет при путешествии со скоростью света
Задумывались ли вы о том, можно ли путешествовать со световой скоростью? Вероятно, при наличии необходимых технологий, которые помогли бы нам достичь такой скорости, мы смогли бы однажды полететь к краю Вселенной и увидеть, что находится за ее пределами?
Немного теории
Скорость света в вакууме — это постоянная величина, известная нам достаточно точно: так, свет движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Это скорость распространения всех электромагнитных полей в вакууме, включая радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.
Согласно Специальной теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее света. В обычных условиях свет для нас действительно движется мгновенно. Например, мы не успеваем увидеть, как фотоны отражаются от предметов и абсорбируются поверхностями в комнате, когда выключается свет, — настолько быстро это происходит.
Скорость света в пустом пространстве (вакууме) не зависит от относительной скорости между его источником и наблюдателем. Некоторые считают, что это утверждение противоречит здравому смыслу, тем не менее именно это было продемонстрировано экспериментально. Самый известный такой эксперимент был проведен физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в конце XIX века. Они обнаружили, что скорость света одинакова во всех направлениях, вне зависимости от того факта, что Земля сама движется через пространство.
Человек и скорость
Люди определенно любят скорость. С тех пор как было изобретено колесо, а скорость уже не определялась силой наших ног, нам хотелось передвигаться быстрее и быстрее. Чем быстрее человек движется, тем в больший восторг он приходит (хотя, стоит заметить, что для некоторых высокие скорости — пугающая вещь). На сегодня человечество успело разработать невероятно быстрые самолеты, ультрабыстрые истребители, сверхбыстрые скоростные поезда и так далее. Однако у Вселенной в рукаве есть кое-что быстрее, чем что-либо нами достигнутое, — свет.
Итак, возможно, некоторые из вас как-то вечером после тяжелого дня, сидя с бутылкой пива или кружкой чая, задумывались о том, каково это — двигаться со скоростью света.
Что произойдет, если мы будем двигаться со скоростью света
Человек, движущийся со скоростью света, испытает замедление времени. Для него время будет протекать медленнее по сравнению с человеком, который стоит на месте. Кроме того, сильно изменится их поле зрения. Для человека, движущегося со скоростью света, Вселенная предстанет в форме туннеля перед аппаратом, на котором он путешествует. Рассмотрим эту увлекательную идею.
До XX века мир был уверен в правильности взглядов Исаака Ньютона на объекты и гравитацию. Однако в 1900-х не кто иной, как Альберт Эйнштейн, взял и навсегда изменил мир.
Теория относительности, предложенная им, прояснила множество вопросов, связанных с массой и энергией. Уравнение эквивалентности массы и энергии доказало, что масса и энергия взаимозаменяемы, то есть одно можно преобразовать в другое — и наоборот. Он также предположил, что не существует единственной стандартной системы отсчета. Все относительно, даже время. Тогда к нему и пришло понимание, что скорость света постоянна и не зависит от наблюдателя. Таким образом, если человек движется на 50% от скорости света в том же направлении, что и свет, то луч света будет выглядеть для него так же, как и для человека, стоящего на месте.
Что же касается эквивалентности массы и энергии, то в двух словах это означает, что, если объект движется на 10% от скорости света, его масса увеличится на 0,5% от изначальной массы. В то же время, если объект движется на 90% от скорости света, его масса увеличится вдвое.
Можем ли мы путешествовать со скоростью света
Нет, мы не можем двигаться со световой скоростью. Все дело в том, что при движении со скоростью света масса объекта экспоненциально увеличится. Представьте себе следующее: скорость света составляет почти 300 тысяч километров в секунду, и, когда объект движется с этой скоростью, его масса становится бесконечной. Следовательно, чтобы сдвинуть этот объект, потребуется бесконечная энергия (вспоминаем эквивалентность массы и энергии), что крайне непрактично.
Грубо говоря, именно по этой причине ни один объект не может двигаться со скоростью света (кроме самого света) или быстрее.
Что касается движения почти со скоростью света, скажем на 90% от нее, то нас ждут любопытные наблюдения.
Двигаясь (почти) со скоростью света
Прежде всего, движущийся с такой скоростью человек испытает замедление времени. Время для него будет протекать медленнее, чем для кого-то, стоящего на месте. Например, если человек движется на 90% от скорости света, то, когда для него пройдут 10 минут, для человека, стоящего на месте, пройдут 20 минут.
Стоит упомянуть и о серьезных изменениях в поле зрения. Для человека, движущегося — куда бы то ни было — на 90% от скорости света, как уже было упомянуто выше, Вселенная будет выглядеть так, будто он смотрит на нее через иллюминатор перед своим космическим аппаратом. Звезды, к которым он приближается, будут выглядеть синими, а остающиеся позади — красными. Это обусловлено тем, что световые волны от звезд перед ним будут скапливаться вместе, из-за чего объект будет выглядеть синим, а световые волны от звезд, остающихся позади, будут растягиваться и приобретать красный цвет, вызывая экстремальный эффект Доплера.
После преодоления определенной отметки человек погрузился бы во тьму, так как длины волн, попадающие ему в глаза, были бы вне видимого спектра.
Конечно, даже учитывая всю непрактичность и препятствия, связанные с путешествием со скоростью света (или почти), это определенно было бы то еще приключение.